采用SiC 功率器件的直流供電牽引系統(tǒng)電磁干擾分析及其抑制方法

李 華，王夢謙，曹 虎，白旭峰，袁文琦

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

近年來，以SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備、制造工藝迅速發(fā)展，使其在電動汽車、光伏、高密度供電電源等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著高壓、大功率SiC 功率器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝不斷完善，SiC 功率器件在軌道牽引系統(tǒng)有著極大的應(yīng)用潛力，德國、法國、日本等軌道交通裝備制造強國均將SiC 功率器件作為下一代半導(dǎo)體，開展相關(guān)變流裝置的研制。日本三菱已成功將3 300 V 電壓等級SiC-MOSFET 應(yīng)用在N700S 高速動車組上［1］。

SiC 功率器件以其特有的低功率損耗、高工作頻率等特性，可進(jìn)一步減小散熱部件尺寸和質(zhì)量；通過提高開關(guān)頻率，可優(yōu)化系統(tǒng)電流諧波特性，減小磁芯元件尺寸、質(zhì)量［2］，從而實現(xiàn)變流裝置的高效化、小型化、輕量化設(shè)計。

但采用SiC 功率器件也帶來了一些挑戰(zhàn)，跟傳統(tǒng)Si-IGBT 功率器件相比，SiC-MOSFET 功率器件的開通、關(guān)斷時間明顯減小，在其開斷過程伴隨很高的電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt，這就會給系統(tǒng)帶來更高的電磁干擾［3］，如果不針對性研究分析并采取相關(guān)抑制措施，不但影響負(fù)載的正常工作、縮短其使用壽命，而且對逆變器本身也帶來很大的危害。

文中通過研究SiC-MOSFET 功率器件的開關(guān)特性，以及其開關(guān)過程伴隨的dv/dt和di/dt，對牽引逆變電路的干擾耦合電路進(jìn)行分析，并分析SiC-MOSFET 功率器件開斷過程對電機端部過電壓機理的影響。在此基礎(chǔ)上，對SiC 牽引變流器的共模、差模干擾，電機過壓沖擊進(jìn)行測試。最后，結(jié)合理論分析與測試結(jié)果，提出適合工程化應(yīng)用的抑制策略，并通過試驗進(jìn)行驗證。

1 直流供電牽引系統(tǒng)電磁干擾傳導(dǎo)路徑

對于直流供電的牽引系統(tǒng)，牽引主回路由支撐電容、負(fù)載電阻、三相逆變電路和牽引電機組成，其簡化電路如圖1 所示。

圖1 直流供電牽引系統(tǒng)簡化電路

在牽引系統(tǒng)運行過程，三相逆變電路的功率器件相繼交替開通關(guān)斷，每次開斷動作都會產(chǎn)生電壓或者電流的快速變化，在此過程中就會產(chǎn)生共模干擾和差模干擾。差模干擾主要由開關(guān)過程產(chǎn)生di/dt引起，在回路中產(chǎn)生差模電壓，最終在回路中形成脈動的環(huán)路干擾電流。共模干擾主要由開關(guān)過程產(chǎn)生的dv/dt引起，快速變化的電壓會作用在系統(tǒng)的各種分布電容上，在逆變器的輸入和輸出端形成環(huán)路干擾電流。

1.1 差模干擾回路

結(jié)合差模干擾引起機理，基于圖1 牽引系統(tǒng)主回路，可得牽引逆變器T1管和T6管開通關(guān)斷時的差模干擾路徑，如圖2 所示。圖中：Vs1、Vs2分別為T1管和T6管開關(guān)產(chǎn)生的差模干擾電壓；Z1為功率器件的等效阻抗；Z2為線路的等效阻抗；Z3為輸入電源側(cè)的等效阻抗；Z4為負(fù)載電機的等效阻抗。

圖2 直流供電牽引系統(tǒng)差模干擾路徑

由圖2 可知，差模干擾電流主要在牽引系統(tǒng)主回路流動，由于差模干擾電壓為高頻信號，當(dāng)牽引逆變器支撐電容C的阻抗匹配時，差模干擾電流大部分通過支撐電容流回，牽引系統(tǒng)不會對電源側(cè)產(chǎn)生很大的干擾，但當(dāng)支撐電容等效阻抗比較大，遠(yuǎn)大于電源側(cè)的等效阻抗時，就會出現(xiàn)阻抗不匹配現(xiàn)象，差模干擾會流經(jīng)電源側(cè)等效阻抗低的路徑，這是就可能會對電源側(cè)產(chǎn)生較大的干擾。

1.2 共模干擾回路

結(jié)合共模干擾引起機理，基于圖1 牽引系統(tǒng)主回路，可得牽引逆變器T6管開通時的共模干擾路徑，如圖3 所示。共模路徑主要有2 條，1 條通過三相逆變器功率器件與散熱片的寄生電容流向大地，最終通過輸入側(cè)等效寄生電容Cin流回；另1 條通過電機繞組與外殼、外殼與軸承的等效寄生電容Co2流入大地，最終通過輸入側(cè)等效寄生電容Cin流回，這樣共模電流長時間作用在軸承上，就會造成軸承電腐蝕，縮短電機的壽命。

圖3 直流供電牽引系統(tǒng)共模干擾路徑

2 電磁干擾對車輛設(shè)備影響分析

2.1 接地回路對車輛其他設(shè)備影響分析

對于地鐵車輛，普遍采用第三軌受流，車輛接地線通過接地電阻最終和負(fù)線匯合，通過鋼軌回流，如圖4 所示。當(dāng)牽引逆變器中存在共模干擾和差模干擾時，由上述分析結(jié)果可知，干擾電流會通過接地線流入鋼軌，這就會對距離接地回路或鋼軌較近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，特別是計軸器、BTM天線等敏感設(shè)備，當(dāng)某些頻段下，干擾幅值超過其可承受范圍，就會影響其正常工作，出現(xiàn)應(yīng)答器信號丟失［4-5］、信號系統(tǒng)紅光帶問題［6］，從而影響列車安全運行。

圖4 第三軌受流地鐵車輛接地回路

2.2 dv/dt 對牽引電機端部絕緣的影響分析

在功率器件在關(guān)斷時產(chǎn)生的高dv/dt，會在導(dǎo)線中產(chǎn)生與之上升時間相對應(yīng)的PWM 脈沖波，電纜傳輸含有高頻信號的PWM 脈沖波時，由于電機端的特性阻抗和電纜的特性阻抗不相等，入射波與反射波的相互疊加，使得電機端出現(xiàn)過電壓。在高頻情況下，電機端的負(fù)載阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜的特性阻抗，電機端可近似地看成是開路狀態(tài)，因此當(dāng)PWM 脈沖波傳輸?shù)诫姍C輸入端時，由于脈沖波近似發(fā)生全反射，在電機端形成了2 倍的過電壓現(xiàn)象［7］。研究表明，電壓脈沖上升時間越短，逆變器與電機之間線纜越長，越有可能產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象［8］。

GB/T 22720—2《旋轉(zhuǎn)電機 電壓型變壓器供電的旋轉(zhuǎn)電機耐局部放電電氣絕緣結(jié)構(gòu)（Ⅱ型）的鑒定試驗》給出不同上升時間和電纜長度導(dǎo)致電壓增加的示例［9］，如圖5 所示，可以看出無窮長的阻抗負(fù)載情況是最不利的。

圖5 在不同沖擊上升時間、不同電纜長度下，電機端的最大電壓增加情況

目前，城軌地鐵車輛的牽引電機普遍采用車控方式，牽引逆變器到電機電纜長度可達(dá)到10 m甚至20 m。對于SiC-MOSFET 功率器件，電壓上升時間僅有幾十納秒，依據(jù)圖5 給出的不同上升時間、不同電纜長度下，電機端部最大電壓增加情況可知，如果城軌牽引變流器采用SiC-MOSFET 功率器件，在電機端部產(chǎn)生的過電壓達(dá)到母線電壓的2 倍，長時間過電壓就會導(dǎo)致電機繞組間絕緣受損，降低電機壽命。

3 SiC-MOSFET 和Si-IGBT 開關(guān)性能及其應(yīng)用在三相逆變器中的干擾對比測試與分析

為了進(jìn)一步研究SiC-MOSFET 應(yīng)用在牽引變流器中給系統(tǒng)帶來的電磁干擾，同時對比應(yīng)用Si-IGBT 的牽引變流器的干擾強度，進(jìn)行相關(guān)對比試驗。

3.1 SiC-MOSFET 與Si-IGBT 的開關(guān)特性對比

為了便于對比分析，SiC 功率器件選擇某公司1 700 V/300 A 的CAS300M17BM2，Si 功 率 器 件 也選擇相同電壓、電流等級，分別選取2 家公司的CM300DX-34SA 和FF300R17ME4P，如 圖6 所 示。通過雙脈沖測試，對3 種功率器件開通時電流變化率di/dt和關(guān)斷時電壓變化率dv/dt進(jìn)行對比。

圖6 3 種相同電壓、電流等級的功率器件

采用圖7 所示雙脈沖測試電路，直流側(cè)電壓設(shè)置為750 V，采用相同電感L，設(shè)置合適的T1、T2時間，保證在t1時刻電流上升至300 A，電壓關(guān)斷波形如圖8 所示，分別測試對比SiC-MOSFET 和Si-IGBT 在t1時刻關(guān)斷時電壓的上升時間Tf，并測量最大dv/dt，見表1。

圖7 雙脈沖測試電路

圖8 不同功率器件電壓關(guān)斷波形

表1 不同功率器件關(guān)斷時電壓變化率

采用圖7 雙脈沖測試電路，直流側(cè)電壓設(shè)置為750 V，采用相同電感L，設(shè)置合適的T1、T2時間，保證在t1時刻電流上升至300 A，電流開通波形如圖9 所示，分別測試對比SiC-MOSFET 和Si-IGBT在t2時刻關(guān)斷時電流的上升時間Tr，并測量最大di/dt。

圖9 不同功率器件電流開通波形

在相同條件下（Vce=750 V，Ic=300 A），測試對比SiC-MOSFET 和Si-IGBT 開通時電流的上升時間，以及最大di/dt，見表2。

表2 不同功率器件開通時電流變化率

由測試結(jié)果可知，SiC 功率器件CAS300M17 BM2 開通時電流上升僅為34 ns，最大電流變化率di/dt是相同等級Si 功率器件的3 倍，關(guān)斷時電壓上升時間僅為59 ns，最大電壓變化率dv/dt是相同等級Si 功率器件的5 倍。由于di/dt和dv/dt是產(chǎn)生電磁干擾主要的原因，SiC 功率器件的差模干擾和共模干擾都較Si 功率器件有了明顯增強。同時，開關(guān)過程較大的電壓變化率對電機端絕緣特性提出更高的要求，如果仍采用Si 功率器件的絕緣設(shè)計，可能會產(chǎn)生提前絕緣老化的風(fēng)險，需要系統(tǒng)設(shè)計時重點考慮。

3.2 基于SiC 功率器件的牽引變流器和基于Si 功率器件的牽引變流器干擾電壓強度對比

為了對比SiC 功率器件與Si 功率器件電磁干擾強度大小，分別采用 CAS300M17BM2 和FF300R17ME4P 設(shè)計牽引逆變器，結(jié)構(gòu)采用相同布局，散熱片、導(dǎo)熱硅脂等回流路徑均采用相同材料。在相同運行工況下，利用隔離高壓探頭對三相逆變模塊的直流輸入側(cè)共模電壓和差模電壓頻譜進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 測試結(jié)果可得，牽引逆變器采用SiCMOSFET 后，在部分頻段上的共模電壓和差模電壓強度比傳統(tǒng)Si 牽引變流器有所提高，主要是體現(xiàn)在1 MHz 以上頻段，在一些轉(zhuǎn)折頻率點附近，電壓幅值比Si 牽引變流器高出20 dBμV。由2.1 小節(jié)可知，與Si 功率器件相比，SiC 功率器件電磁干擾強度的增強主要由于開通關(guān)斷時電壓上升、電流上升變快，文獻(xiàn)［10］通過對共模干擾電壓傅里葉分解，進(jìn)行理論分析得到，上升時間減小主要對高頻帶有影響。試驗結(jié)果也與該理論分析相一致。

圖1 0 共模電壓和差模電壓頻譜測試結(jié)果

4 基于SiC 功率器件的牽引變流器電磁干擾抑制策略

基于上述理論分析以及測試結(jié)果，采用SiC 功率器件CAS300M17BM2 開發(fā)了“四合一”牽引變流器，如圖11（a）所示。為了抑制采用SiC-MOSFET對系統(tǒng)帶來的電磁干擾，在箱體進(jìn)線端設(shè)計了一種適合工程化應(yīng)用的EMI 濾波電路，電路原理如圖11（b）所示。由R、Lx和Cx構(gòu)成差模濾波回路，濾除回路中的差模干擾。通過2 個Cy電容，減小系統(tǒng)輸入端高頻阻抗，從而有效降低系統(tǒng)對外共模干擾。

圖1 1 基于SiC 功率器件的牽引變流器

為了驗證所提出的濾波電路的有效性，在電磁兼容試驗室對基于SiC 功率器件的牽引變流器按照歐標(biāo)EN 50121-3-2-2016，對箱體正負(fù)輸入端口傳導(dǎo)發(fā)射進(jìn)行測試。牽引系統(tǒng)在額定工況下運行，使用接收機電壓探頭對牽引變流器輸入端口進(jìn)行測試。

測試結(jié)果如圖12、圖13 所示，圖12（a）和圖12（b）分別為EMI 濾波電路增加前后正線輸入端口傳導(dǎo)發(fā)射EMC 測試結(jié)果，圖13（a）和圖13（b）分別為EMI 濾波電路增加前后負(fù)線輸入端口傳導(dǎo)發(fā)射EMC 測試結(jié)果。

圖1 3 牽引變流器負(fù)線輸入端口測試結(jié)果

圖1 2 牽引變流器正線輸入端口測試結(jié)果

目前，歐標(biāo)EN 50121-3-2-2016 對傳導(dǎo)干擾電壓幅值大小有明確的限制條件［11］，見表3。由上述測試結(jié)果可知，當(dāng)SiC 功率器件的牽引變流器輸入側(cè)沒有增加EMI 濾波電路，正負(fù)線傳導(dǎo)干擾強度在300 kHz～3 MHz 的部分頻帶會超過標(biāo)準(zhǔn)限制，當(dāng)輸入側(cè)加裝EMI 濾波電路后，傳導(dǎo)干擾強度明顯減小，測試結(jié)果在全頻帶范圍均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這也驗證了EMI 濾波電路的有效性。

表3 EN 50121-3-2-2016 規(guī)定不同頻帶下傳導(dǎo)干擾限值

5 結(jié) 論

文中研究了SiC 功率器件應(yīng)用于直流供電牽引系統(tǒng)中的共模、差模干擾路徑，對SiC 功率器件開關(guān)過程電壓快速上升給電機端部帶來的電應(yīng)力、絕緣老化的影響進(jìn)行了分析。對SiC-MOSFET 和Si-IGBT 的開關(guān)特性以及其應(yīng)用在牽引逆變器中的干擾進(jìn)行了測試，開發(fā)了“四合一”牽引變流器，并設(shè)計了一種EMI 濾波電路，通過EMC測試，驗證了所采用抑制策略的有效性。